Якщо запропонований підхід підтвердиться на практиці, він значно наблизить впровадження квантових обчислень у практичну хімію, фізику та матеріалознавство.
Незважаючи на колосальний потенціал, квантові комп'ютери все ще погано справляються з моделюванням взаємодії двох основних типів частинок, з яких складається Всесвіт. Це можна порівняти з кухарем, який вміє працювати з цукром і молоком окремо, але не здатний розрахувати, як з них приготувати складний торт.
Однак дослідники знайшли спосіб подолати цю проблему, повідомляє ScienceAlert. Вони розробили теоретичну модель гібридного квантового комп’ютера, який поєднує "найкраще з обох світів" і дозволяє ефективно описувати взаємодію різних частинок.
Квантові комп’ютери використовують кубіти – елементи, здатні зберігати й обробляти квантову інформацію. Такі машини особливо перспективні для моделювання мікросвіту, але через високу чутливість кубітів їм поки що складно точно описувати поведінку безлічі пов’язаних частинок. Це суттєво обмежує їхнє застосування в практичній хімії та під час розробки нових матеріалів.
Річ у тім, що частинки поділяються на дві великі групи – ферміони та бозони. До перших належать, наприклад, електрони та протони, а до других – фотони (частинки світла). Квантові комп’ютери добре справляються з моделюванням ферміонів, однак для точного опису бозонів їм потрібно набагато більше кубітів. А чим масштабнішою стає квантова система, тим складніше контролювати помилки, що виникають у ній.
Дослідники під керівництвом Елеонор Крейн із Королівського коледжу Лондона запропонували об’єднати кубіти з мікрохвильовими резонаторами. Це невеликі пристрої, всередині яких виникають коливальні електромагнітні поля. Їх можна використовувати, наприклад, для зберігання квантової інформації та точного моделювання поведінки бозонів.
Такий гібридний підхід поєднує переваги обох технологій. Замість того, щоб імітувати складні процеси виключно за допомогою величезного масиву кубітів, комп’ютер зможе розподіляти навантаження між ними та резонаторами. За розрахунками авторів, для подібних симуляцій це дозволить скоротити обсяг необхідних обчислень приблизно в тисячу разів і наблизить вирішення наукових задач, з якими звичайні суперкомп’ютери не впораються.
Щоб перевірити свою ідею, вчені змоделювали кілька фізичних систем, зокрема роботу beamsplitter – пристрою, що розділяє або об’єднує світлові промені. Вони також досліджували спрощені структури з двома просторовими вимірами та одним часовим. Хоча такі двовимірні моделі не описують весь навколишній світ, вони допомагають вивчати процеси, критично важливі для створення реальних матеріалів.
Нова архітектура відкриє шлях до дослідження надпровідників (матеріалів, що проводять струм без опору), а також до створення ефективних сонячних панелей, систем зберігання енергії та ліків. В основі всіх цих завдань лежать складні квантові процеси, які не під силу точно розрахувати навіть найпотужнішим класичним комп’ютерам.
Ще одна перевага гібридної системи – зменшення кількості помилок. У звичайних квантових комп’ютерах збої швидко накопичуються через величезну кількість операцій. Скорочення кількості таких маніпуляцій зробить обчислення надійнішими та потребуватиме менше ресурсів для виявлення помилок з метою захисту даних.
При цьому вченим не доведеться чекати на появу гігантських комп’ютерів із повноцінною корекцією помилок. Необхідні кубіти та резонатори вже існують, а вимоги нової архітектури до точності операцій близькі до можливостей сучасних пристроїв. Проте поки що розробка залишається теоретичною – її ефективність ще належить перевірити на практиці.
Результати дослідження опубліковано в престижному науковому журналі Physical Review X. Якщо підхід підтвердиться на реальному обладнанні, він помітно наблизить впровадження квантових обчислень у практичну хімію, фізику та матеріалознавство.
Раніше в США створили унікальний чіп, який може стати основою квантових комп’ютерів майбутнього. Чіп розміром 1 квадратний міліметр генерує заплутані пари фотонів.